Как "Уэбб" поможет раскрыть некоторые из самых сокровенных секретов Вселенной?

Уже 25 декабря вместе с запуском космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) мы вступим в новую эру астрономии. Этот телескоп – самый большой, самый дорогой и сложный телескоп из когда-либо созданных, запуск которого ожидался на протяжении десятилетий.

Сейчас телескоп стоимостью 10 миллиардов долларов США уже заправлен для полета и установлен на ракете "Ariane 5" на европейском космодроме во французской Гвиане.

Запуск будет одновременно увлекательным и нервным моментом тысяч ученых, инженеров, менеджеров и вспомогательного персонала, которые довели JWST до этого момента.

Таинственная ранняя Вселенная

JWST часто называют заменой космического телескопа "Хаббл", но в большинстве своем он его преемник. Хаббл работает уже более 30 лет и подарил нам удивительные виды Вселенной и многие тысячи научных результатов. Надеемся и ожидаем, что он будет работать еще много лет.

Но относительно небольшое зеркало диаметром 2,4 метра по сравнению с наземными телескопами ограничивает его чувствительность и способность наблюдать за самыми тусклыми объектами. Кроме того, хотя Хаббл обладает определенной способностью наблюдать в инфракрасном свете, он не может получить доступ к длинам волн света от самых ранних звезд и галактик. Однако это сможет сделать JWST. Возможно, он даже сможет увидеть звезды Популяции III (звезды, образовавшиеся из первоначального материала после Большого Взрыва), никогда ранее не замеченные.

Знание того, когда образовались первые звезды вскоре после Большого Взрыва и понимание того, как они произвели строительные блоки первых галактик, является важным научным вопросом и одной из основных научных целей JWST. Ученые знают, что элементы, необходимые для жизни и современных технологий, такие как углерод, силикон и золото, были в конечном итоге созданы в ранних звездах, но в настоящее время мы не имеем хорошего понимания того, как это произошло.

Необходимость обнаружения тусклых объектов в далекой Вселенной была важной движущей силой при проектировании обсерватории - определении ее размера, охвате длин волн и необходимости поддерживать небольшую температуру, чтобы минимизировать нежелательный фоновый свет.

Изучение первых звезд и галактик – не единственная научная программа JWST. Он также задуман как обсерватория общего назначения, где астрономы со всего мира смогут подать заявку на получение времени для своих исследований.

Наблюдение в инфракрасном диапазоне позволит JWST видеть сквозь облака пыли, окутывающие очень молодые звезды, непрозрачные для видимого света.

В отличие от Хаббла, он сможет смотреть прямо в «звездные питомники», где рождаются звезды и их планетные системы. Наблюдения ответят на вопрос о том, как облака пыли и газа коллапсируют, образуя звезды, и как вокруг них формируются планетные системы.

Жизнепригодность экзопланет

Когда более 20 лет назад обсуждались первые планы JWST, не было известно ни одной планеты, кроме планет нашей Солнечной системы. С тех пор астрономы обнаружили тысячи вращающихся вокруг других звезд нашей галактики (экзопланеты) планет. Значительная часть программы наблюдения JWST будет посвящена изучению их атмосфер. Охват длин волн JWST особенно приспособлен для изучения молекул в атмосферах экзопланет и низкого инфракрасного фона из космоса, что дает ему значительное преимущество перед наземными телескопами.

Доступны две методики обнаружения экзопланет.

В одном из них используется тот факт, что планеты могут проходить перед своей родительской звездой (так называемый транзит), создавая спад в свете, который мы видим от нее. Анализируя свет, разбитый по длинам волн, с большой точностью до и во время транзита, мы можем исследовать атмосферу планеты, чтобы обнаружить, из каких молекул она состоит.

Другой метод использует специальный инструмент, который называется "коронограф", чтобы блокировать свет от материнской звезды до получения непосредственного изображения планеты и изучения ее атмосферы или поверхности. Это может помочь выяснить, пригодна ли планета для жизни, которая может потребовать дальнейшего исследования и когда-нибудь отправки туда мини-космических зондов.

Конечная цель – найти планету, подобную Земле, но для этого понадобится очень счастливое стечение обстоятельств, поскольку они, вероятно, будут редкими в окрестностях Солнца и очень тусклыми по сравнению с родительской звездой. Скорее всего, JWST будет изучать "газовых гигантов", таких как Юпитер и Сатурн, или "ледяных гигантов", подобных Урану и Нептуну. Ни одна из известных планетных систем не напоминает нашу собственную: многие планеты-гиганты находятся на более близких орбитах, чем наша, и имеют более экстремальные нагревания их атмосферы и более динамичные погодные условия.

Кроме изучения планет вне нашей Солнечной системы, JWST сможет наблюдать за нашей домашней планетарной системой. Его большая чувствительность позволит идентифицировать и охарактеризовать кометы и другие ледяные тела в отдаленных областях Солнечной системы. В таком отдаленном месте эти объекты почти не изменились с момента в их образовании и могут содержать подсказки происхождения Земли, в частности об источниках ее воды, что может быть результатом бомбардировки такими телами в начале ее жизни.

JWST также сможет наблюдать за всеми планетами, лежащими за пределами орбиты Земли вокруг Солнца, изучая их атмосферу и сезонные изменения погоды.

Подробные планы и представления о том, что будет обнаружено, являются важным оправданием затрат на строительство амбициозного телескопа, изменяющего мир, такого как JWST. Но и будут такие открытия, которые никто не может предвидеть. Когда был запущен Хаббл, идея с экзопланетами была в значительной степени научной фантастикой, однако изучение экзопланет стало одной из главных задач телескопа. Интересно, какие удивительные научные открытия ждут нас с Уэббом?

Фото: NASA/Chris Gunn